[发明专利]一种绳系连接飞行器稳定控制方法

说明书

本发明公开了一种绳系连接飞行器稳定控制方法，首先基于牛顿第二定律和拉格朗日—欧拉法建立了旋翼无人机的动力学方程；然后设计了改进的二阶滑模控制器，可以在一定程度上抑制普通滑模算法普遍存在的抖振问题；最后在旋翼无人机的位置环、姿态环用观测器对干扰进行了估计，并在控制律中进行了补偿，确保了旋翼无人机在运输物资的同时保证有效、稳定的跟踪预定轨迹，到达预定目的地之后进行精确投放。本发明可以有效的控制旋翼无人机高精度的跟踪预定轨迹。

技术领域

本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种飞行器稳定控制方法。

背景技术

无人飞行器以其安全、低成本、易于操作、机动性强等优势而迅猛发展，已被广泛应用于航拍、救灾、植保和运输等领域。目前无人飞行器运输物资的方式主要是通过吊装和搭载两种方法实现的，而对于体积较大的物资只能通过吊装来实现其运输。

无人飞行器运输具有以下优势：相比于地面运输具有方便高效、节约土地资源和不受地势条件影响的优点；相比于一般的航空运输和直升机运输，无人机运输具有成本低、调度灵活等优势；在某些环境和条件下，只有无人机运输方式才能实现“可达性”。

如何对无人飞行器在搬运物资的过程中进行高精度轨迹跟踪控制仍然是一个难题。目前存在两类主要方法用来解决高精度轨迹跟踪问题：一是从无人机的角度出发设计鲁棒的控制器；二是把物资对无人机的影响视为干扰，并用观测器对干扰进行估计然后在控制律中进行补偿。

例如，申请号为CN201611214295.8的中国专利解决了旋翼无人机在货物抓取及投递时刻出现的大质量突增或突减，会对无人机的运动模态造成干扰，影响其飞行稳定性的问题，设计了切换自适应控制器与自适应更新律，但是没有解决用绳系吊装物资时的摆动干扰问题；

申请号为CN201810089757.0的中国专利提供了一种四旋翼无人机吊挂运输系统的位置精确控制和负载摆动的快速抑制,提出了一种针对未知对象参数(负载质量,空气阻尼系数)的旋翼无人机吊挂运输系统,设计一种非线性控制器,同时设计一种参数自适应律,对未知参数进行在线估计,可以弥补系统的参数不确定性，但此专利只从控制器的角度分析了问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种绳系连接飞行器稳定控制方法，首先基于牛顿第二定律和拉格朗日—欧拉法建立了旋翼无人机的动力学方程；然后设计了改进的二阶滑模控制器，可以在一定程度上抑制普通滑模算法普遍存在的抖振问题；最后在旋翼无人机的位置环、姿态环用观测器对干扰进行了估计，并在控制律中进行了补偿，确保了旋翼无人机在运输物资的同时保证有效、稳定的跟踪预定轨迹，到达预定目的地之后进行精确投放。本发明可以有效的控制旋翼无人机高精度的跟踪预定轨迹。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1：建立旋翼无人机的运动学和动力学模型：

旋翼无人机包括四个转子；

定义世界固定坐标系{w}和基体坐标系{b}，{x,y,z}表示旋翼无人机在世界固定坐标系{w}中的坐标，{φ,θ,ψ}表示旋翼无人机在基体坐标系{b}的欧拉角；

定义基体坐标系到世界固定坐标系的旋转矩阵：

式中s_φ,c_φ,s_ψ,c_ψ,s_θ,c_θ分别代表sinφ,cosφ,sinψ,cosψ,sinθ,cosθ；

根据牛顿第二定律和拉格朗日-欧拉法，旋翼无人机在俯仰、横滚和偏航旋转作用下的XYZ方向运动的动力学模式表示为：